气体分析系统及气体分析方法技术方案

本公开提供了一种气体分析系统，该气体分析系统包括：光发射元件，该光发射元件发射由预定的调制频率调制的激光；光接收元件，该光接收元件：接收已经穿过测量目标气体的激光；在接收激光后，输出具有N阶频率的接收信号，该N阶频率为预定的调制频率的n倍，其中n为不小于2的整数；以及信号处理设备，该信号处理设备：通过从具有N阶频率的第一分量中去除第二分量来计算第三分量，其中第二分量是在激光从光发射元件到光接收元件的光路上产生的光学干涉噪声的分量并且具有与第一分量相同的频率；并且基于第三分量的大小计算测量目标气体的浓度。的浓度。的浓度。

【技术实现步骤摘要】
气体分析系统及气体分析方法


[0001]本专利技术涉及一种气体分析系统和一种气体分析方法。

技术介绍

[0002]在用于分析测量目标气体的气体分析系统中，存在一种基于照射到测量目标气体的光的吸光度来测量测量目标气体的浓度的气体分析系统。在这种气体分析系统中，为了提高测量精度(灵敏度)，有时使用波长调制光谱法。波长调制光谱法是一种向测量目标气体照射由调制频率f调制的激光并且基于通过检测透射通过测量目标气体后的激光而获得的二阶谐波分量(2f分量)来测量测量目标气体的浓度的技术。
[0003]在波长调制光谱法中，通常通过计算2f分量与检测到的调制频率f的分量(1f分量)的比率并使光接收量标准化来测量测量目标气体的浓度。这是为了减少由测量目标气体以外的因素导致的激光的光接收量波动的影响。注意，波长调制光谱法有时也被称为2f检测。以下的专利文献1公开了使用波长调制光谱法来测量气体浓度的传统气体分析系统的一个示例。
[0004]专利文献
[0005]专利文献1：WO 2017/014097 A1
[0006]目前，在上述气体分析系统中，当激光穿过透镜或其它光学元件、窗口、薄膜等时，可能产生光学干涉噪声。该光学干涉噪声是由于例如激光在光学元件等内部进行多次反射而引起的干涉而产生的，该光学干涉噪声的大小取决于激光波长而周期性地变化。例如，正如法布里
‑
珀罗标准具的透射率相对于波长呈周期性一样，光学干涉噪声的大小也相对于波长呈周期性。当存在这种光学干涉噪声时，存在测量目标气体的浓度的检出限恶化的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的一个或多个实施例提供了一种气体分析系统和一种气体分析方法，其可以改进测量目标气体的浓度的检出限。
[0008]根据一个或多个实施例，一种气体分析系统包括：光发射元件，该光发射元件发射由预定的调制频率调制的激光；光接收元件，该光接收元件在所述激光穿过测量目标气体后接收所述激光；以及信号处理设备，该信号处理设备基于第三分量的大小计算所述测量目标气体的浓度，所述第三分量是从第一分量中去除第二分量而获得，所述第一分量为具有N阶频率(指包含在从所述光接收元件输出的接收信号中的调制频率的n倍的频率，n为不小于2的整数)的分量，所述第二分量是与所述第一分量具有相同的频率、在激光从所述光发射元件到所述光接收元件的光路上产生的光学干涉信号的分量。
[0009]此外，根据一个或多个实施例的气体分析系统设置有检测器，该检测器检测包含在所述接收信号中的第一分量的振幅和相位，并且所述信号处理设备设置有存储器和处理器，所述存储器存储所述第二分量的振幅和相位，所述处理器通过使用所述检测器检测到
的第一分量的振幅和相位以及所述存储器中存储的第二分量的振幅和相位来执行从所述第一分量中去除所述第二分量的计算，以计算所述第三分量。
[0010]此外，在根据一个或多个实施例的气体分析系统中，所述检测器除了检测所述第一分量之外还检测基波分量，该基波分量为包含在所述接收信号中的、具有与调制频率相同的频率的分量，并且所述处理器基于所述第三分量的振幅与基波分量的振幅的比率计算测量目标气体的浓度。
[0011]此外，在根据一个或多个实施例的气体分析系统中，存储在所述存储器中的第二分量的振幅和相位是所述检测器在所述激光的光路上不存在测量目标气体时或所述激光的光路上的测量目标气体的浓度足够低的状态下检测到的所述第一分量的振幅和相位。
[0012]或者，在根据一个或多个实施例的气体分析系统中，存储在所述存储器中的第二分量的振幅和相位是通过使用所述检测器在所述测量目标气体以已知的第一浓度存在于所述激光的光路上时检测到的第一分量的振幅和相位和所述检测器在所述测量目标气体以已知的第二浓度存在于所述激光的光路上时检测到的第一分量的振幅和相位进行预定计算而获得的振幅和相位。
[0013]或者，在根据一个或多个实施例的气体分析系统中，存储在所述存储器中的第二分量的振幅和相位是所述检测器在所述激光的光程被设置为预先规定的参考长度时检测到的第一分量的振幅和相位，所述处理器在基于所述检测器在所述激光的光程未被设置为参考长度时检测到的基波分量的相位和所述检测器在所述激光的光程被设置为参考长度时检测到的基波分量的相位之间的差值来校正所述检测器在所述激光的光程未被设置为参考长度时检测到的第一分量的相位后，通过执行从所述第一分量中去除所述第二分量的计算来计算所述第三分量。
[0014]根据一个或多个实施例的一种气体分析方法具有：发射由预定的调制频率调制的激光的第一步骤；通过在所述激光穿过测量目标气体后接收所述激光来获得接收信号的第二步骤；通过从第一分量中去除第二分量来获得第三分量的第三步骤，所述第一分量为具有N阶频率(即包含在所述接收信号中的调制频率的n倍，n为不小于2的整数)的分量，所述第二分量是与所述第一分量具有相同的频率、在所述激光的光路上产生的光学干涉信号的分量；以及基于所述第三分量的大小计算所述测量目标气体的浓度的第四步骤。
[0015]此外，根据一个或多个实施例的气体分析方法还包括：在测量所述测量目标气体之前预先计算所述第二分量的步骤。
[0016]一个或多个实施例可以改进所述测量目标气体的浓度的检出限。
附图说明
[0017]图1是示出了根据第一实施例的气体分析系统的主要部件的配置的框图。
[0018]图2是用于描述在第一实施例中的处理器中执行的处理的图。
[0019]图3是示出了根据第一实施例的气体分析方法的流程图。
[0020]图4A和图4B是示出了根据第一实施例的气体分析系统的测量结果的图。
[0021]图5是用于描述在第二实施例中计算2f噪声分量的方法的图。
[0022]图6是示出了根据第三实施例的气体分析方法的流程图。
具体实施方式
[0023]以下将参照附图详细描述根据本专利技术的一个或多个实施例的气体分析系统和气体分析方法。以下，首先描述本专利技术实施例的概述。之后，描述每个实施例的细节。
[0024][概述][0025]一个或多个实施例能够改进测量目标气体的浓度的检出限。例如，即使在测量目标气体的浓度较低的情况下，一个或多个实施例也能够以高精度测量测量目标气体的浓度。换句话说，即使在理论上求出的检出限附近，一个或多个实施例也能够以高精度测量测量目标气体的浓度。
[0026]在波长调制光谱法中，检测到的二阶谐波分量(2f分量)的振幅大小由下面的公式(1)表示。
[0027][数学公式1][0028][0029]在上述公式(1)中，I
S
是2f分量的振幅大小(RMS：均方根)此外，s是指示光接收元件的灵敏度的系数，P
dc
是激光的接收功率，k2是由激光的调制频率决定的常数。此外，α0是测量目标气体的中心波长的吸光度，C
R
是测量目标气体的气体浓度。
[0030]此外，检测到的2f分量的噪声I
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体分析系统，包括：光发射元件，该光发射元件发射由预定的调制频率调制的激光；以及光接收元件，该光接收元件：接收已经穿过测量目标气体的所述激光；并且在接收所述激光后，输出具有N阶频率的接收信号，所述N阶频率为所述预定的调制频率的n倍，其中n是不小于2的整数；以及信号处理设备，该信号处理设备：通过从具有所述N阶频率的第一分量中去除第二分量来计算第三分量，其中，所述第二分量是在所述激光从所述光发射元件到所述光接收元件的光路上产生的光学干涉噪声的分量并且具有与所述第一分量相同的频率；并且基于所述第三分量的大小计算所述测量目标气体的浓度。2.根据权利要求1所述的气体分析系统，包括：检测器，该检测器检测包含在所述接收信号中的所述第一分量的振幅和相位，其中，所述信号处理设备包括：存储器，该存储器存储所述第二分量的振幅和相位，以及处理器，该处理器使用由所述检测器检测到的所述第一分量的所述振幅和所述相位以及存储在所述存储器中的所述第二分量的所述振幅和所述相位来执行从所述第一分量中去除所述第二分量的计算，以计算所述第三分量。3.根据权利要求2所述的气体分析系统，其中，除了所述第一分量之外，所述检测器还检测基波分量，该基波分量为包含在所述接收信号中的、具有与所述调制频率相同的频率的分量，并且所述处理器基于所述第三分量的振幅与所述基波分量的振幅的比率来计算所述测量目标气体的浓度。4.根据权利要求2或3所述的气体分析系统，其中，存储在所述存储器中的所述第二分量的所述振幅和所述相位是所述检测器在所述激光的光路上不存在所述测量目标气体时或在所述激光的光路上的所述测量目标气体的浓度足够低的状态下检测到的所述第一分量...

【专利技术属性】
技术研发人员：铃木雄太，北川雄真，猿谷敏之，蒲原敦彦，
申请(专利权)人：横河电机株式会社，
类型：发明
国别省市：